DN4600等溫變換爐的內(nèi)漏及檢漏檢修

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(1.陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030000；2.航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730050)

在合成氨系統(tǒng)中，CO變換反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，是一個(gè)熱力學(xué)控制的過(guò)程，因此，傳統(tǒng)的絕熱變換技術(shù)采用多段反應(yīng)、多段換熱的方式，這樣的絕熱變換工藝流程較復(fù)雜、熱損失大、蒸汽消耗高、設(shè)備投資大。大型合成氨系統(tǒng)造氣多采用粉煤氣化、水煤漿氣化等技術(shù)，氣化粗煤氣中CO含量在50%～76%，高濃度CO使傳統(tǒng)變換技術(shù)已不能適應(yīng)大型合成氨系統(tǒng)的工藝要求。為了優(yōu)化變換流程及換熱方式，國(guó)內(nèi)提出了等溫變換的理念，保持催化劑床層低溫、恒溫反應(yīng)，省去多臺(tái)變換爐和換熱設(shè)備，大大縮短了流程。

等溫變換工藝中的等溫變換爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是變換系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備。湖南安淳高新技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“湖南安淳”)自主研發(fā)的等溫變換工藝，將換熱器置于反應(yīng)器催化劑床層，通過(guò)副產(chǎn)蒸汽的方式移去反應(yīng)熱，使工藝氣保持在低溫、恒溫的狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)，但單臺(tái)設(shè)備大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是內(nèi)件換熱管較多，操作不當(dāng)容易損壞內(nèi)件，造成漏水事故，對(duì)催化劑造成不利影響，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜也使內(nèi)件的檢漏、檢修工作異常困難。

1 等溫變換爐

陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司合成氨裝置配套的煤氣變換工藝，采用湖南安淳的高CO等溫低溫變換專(zhuān)利技術(shù)及等溫變換反應(yīng)器專(zhuān)利設(shè)備。該項(xiàng)目的實(shí)施首開(kāi)等溫變換技術(shù)應(yīng)用大型化的先河，主要特點(diǎn)體現(xiàn)在“一大四高”：大型化——單系統(tǒng)等溫變換裝置干基氣量約18萬(wàn)Nm3/h，相當(dāng)于50萬(wàn)t/a合成氨需要變換的氣量，等溫變換爐直徑達(dá)DN4 600，是目前最大的等溫變換爐；四高——高CO、高水氣比、高變換率、高熱回收率。氣化采用航天爐氣化技術(shù)，CO含量高達(dá)67%；水氣比為1.3；出口變換氣中CO要求≤0.4%，等溫變換爐中變換率達(dá)到97%以上，系統(tǒng)總變換率在99%以上；全部反應(yīng)熱產(chǎn)生4.3MPa蒸汽。

等溫變換爐具有以下優(yōu)勢(shì)：①利用相變移走變換反應(yīng)熱，真正實(shí)現(xiàn)等溫反應(yīng)，平面溫差小(<3℃)，床層溫差小(<10℃)；②實(shí)現(xiàn)深度變換，CO轉(zhuǎn)化率97%以上(CO進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)60%，出口體積分?jǐn)?shù)1.4%)；③等溫變換爐內(nèi)換熱管為懸掛式雙套水管，不受殼體限制，可自由伸縮，結(jié)構(gòu)安全可靠，而且等溫變換爐高徑比大，容易實(shí)現(xiàn)大型化；④采用全徑向反應(yīng)，阻力小，實(shí)測(cè)等溫變換爐阻力<20kPa，系統(tǒng)阻力小，大大降低運(yùn)行成本；⑤反應(yīng)溫度低且恒定，使催化劑使用壽命大大延長(zhǎng)；⑥變換反應(yīng)熱幾乎全部回收利用，副產(chǎn)蒸汽品位高、產(chǎn)量大(4.3MPa，70t/h)，反應(yīng)器水汽系統(tǒng)自然循環(huán)，無(wú)需動(dòng)力；⑦等溫變換爐操作簡(jiǎn)單，只需控制汽包蒸汽壓力，即可輕松調(diào)節(jié)床層溫度，易于控制。等溫變換爐工藝流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 等溫變換爐工藝流程示意

2 等溫變換爐內(nèi)漏情況

變換第一次停車(chē)后，等溫變換爐汽包液位在20h內(nèi)從29%降到24%，剛開(kāi)始分析是汽包的定排管道和連排管道閥門(mén)未關(guān)嚴(yán)。處理閥門(mén)后，汽包液位仍下降，10d之后液位降至0。而之前正常時(shí)，3d時(shí)間內(nèi)液位僅下降1%。為排除汽包及其相關(guān)管道漏的因素，進(jìn)一步確認(rèn)等溫變換爐內(nèi)件是否內(nèi)漏，將變換氣管道(即等溫變換爐殼程)充壓至約0.3MPa左右，觀察到汽包壓力與殼程壓力同步升降，即在等溫變換爐殼程壓力上升達(dá)到一定壓力時(shí)，汽包壓力開(kāi)始上漲，等溫變換爐殼程壓力下降到一定壓力時(shí)，汽包壓力也開(kāi)始下降。在汽包有液位時(shí)，因存在液位壓力差而使殼程壓力始終高于汽包壓力；當(dāng)汽包水漏完無(wú)液位后，壓差降到0，并且由于變換氣管道(等溫變換爐殼側(cè))系統(tǒng)大、漏點(diǎn)多，導(dǎo)致殼程降壓更快并低于汽包壓力。

經(jīng)過(guò)以上工作，基本判斷等溫變換爐內(nèi)件內(nèi)漏，但內(nèi)漏的部位還未確定。由于后續(xù)裝置開(kāi)車(chē)在即，并且等溫變換爐內(nèi)漏不是很?chē)?yán)重，因此，在未進(jìn)行消漏檢修的情況下再次開(kāi)車(chē)。

再次開(kāi)車(chē)升溫時(shí)，等溫變換爐床層西北側(cè)縱向4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度平穩(wěn)上升，接氣后溫度也穩(wěn)定在200℃左右。而東南側(cè)的測(cè)溫點(diǎn)在92℃左右，恒溫了一段時(shí)間之后再次上升，但接氣后溫度為180～240℃，不穩(wěn)定，波動(dòng)很大。

此次開(kāi)車(chē)接氣時(shí)，后續(xù)的冷激汽化器液位暴漲，10s時(shí)間內(nèi)液位從0漲到滿(mǎn)液位，之后下游的深度變換爐入口溫度迅速下降了33℃。分析原因是，之前大量?jī)?nèi)漏的水被催化劑吸附，在等溫變換爐床層升溫時(shí)解吸(這也與升溫時(shí)在92℃有恒溫區(qū)相互印證)，在后續(xù)的冷凝液加熱器中被冷凝下來(lái)，進(jìn)入冷激汽化器。由于變換氣從冷激汽化器頂部進(jìn)入，從中下部出來(lái)，而其底部排液管較小，大量冷凝液在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入而無(wú)法排出，液位到達(dá)一定高度后被變換氣帶入下游深度變換爐中，對(duì)催化劑造成不好的影響。這也反過(guò)來(lái)驗(yàn)證了等溫變換爐內(nèi)件內(nèi)漏。

再次停車(chē)后，汽包液位下降速度更快，11h時(shí)間內(nèi)液位從79%降到8%，等溫變換爐內(nèi)件內(nèi)漏情況加劇，嚴(yán)重影響催化劑的使用壽命及系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，必須進(jìn)行消漏檢修處理。

3 等溫變換爐的檢漏與檢修

由于等溫變換爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且裝填有硫化態(tài)的鈷鉬催化劑，檢修時(shí)若稍有不慎，就有可能釀成事故。陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司與湖南安淳、催化劑廠家等多方經(jīng)過(guò)數(shù)次討論，擬定了等溫變換爐的檢漏、檢修方案。等溫變換爐結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 等溫變換爐結(jié)構(gòu)示意

3.1 檢漏方法

割卸等溫變換爐外筒上封頭及內(nèi)件上管板，填焊密封外筒與內(nèi)件管箱之間的間隙，向汽室內(nèi)加入脫鹽水使其液面蓋過(guò)下管板換熱外管口約15mm。用氮?dú)鈱こ坛鋲海瑱z查每個(gè)換熱外管口是否有氣泡冒出，如有氣泡冒出，說(shuō)明此換熱管有漏點(diǎn)，將其封堵即可。

3.2 檢漏檢修步驟

3.2.1 降溫、卸壓、置換

將等溫變換爐催化劑床層溫度降溫到100℃以下。卸掉汽包壓力，通過(guò)汽包各排污管道、等溫變換爐底部導(dǎo)淋和進(jìn)、出管道排凈口，將內(nèi)件管箱及換熱管內(nèi)的水位盡可能降至最低。

變換氣管道系統(tǒng)用氮?dú)庵脫Q并進(jìn)行動(dòng)火分析，達(dá)到能動(dòng)火的程度。從等溫變換爐底部進(jìn)出口管道排凈口充純氮?dú)?，保證殼程處于微正壓狀態(tài)。

3.2.2 等溫變換爐外筒封頭割卸

開(kāi)路兩套測(cè)溫?zé)犭娕純x表線路(待上封頭及上管板割卸后再恢復(fù)，以監(jiān)控床層溫度)，拆下熱電偶套管。

拆卸上封頭處連接的水、汽管道，檢查水、汽管道密封填料是否泄漏，并拆下填料。

從水室中下部位置對(duì)應(yīng)的外筒處圓周切割等溫變換爐外筒上封頭，及時(shí)清理割口，盡量避免焊熔渣掉入外筒與內(nèi)件之間的環(huán)隙。吊裝上封頭至地面。

3.2.3 等溫變換爐內(nèi)件上管板割卸

剖開(kāi)中心升汽管與上管板焊縫，在上管板以上200mm處割斷中心升汽管。剖開(kāi)催化劑加料管及測(cè)溫套管與上管板的焊縫，并將加料管密封焊堵；在下管板以上200mm處割斷中心加料管(便于充壓檢漏時(shí)從升汽管處查看)，并用管帽封堵。

從水室中下部位置處，圓周切割內(nèi)件上管箱壁，吊裝上管板至地面。密封填焊外筒與內(nèi)件管箱之間的環(huán)隙。

3.2.4 等溫變換爐殼程充壓檢漏

用純氮?dú)鈱⒌葴刈儞Q爐殼程充壓至0.2～0.3MPa，在汽室內(nèi)加入脫鹽水，使下管板液高約15mm。檢漏人員進(jìn)入中心升汽管，將管道檢查機(jī)器人送入汽室各處，查看管口處是否有氣泡冒出，以此預(yù)判泄漏管大致區(qū)域并進(jìn)行標(biāo)記。

根據(jù)預(yù)判的泄漏區(qū)域，在對(duì)應(yīng)的中管板上開(kāi)檢漏孔(大小以人能自由進(jìn)出為準(zhǔn))，吊卸切割下來(lái)的中管板，將區(qū)域內(nèi)的換熱內(nèi)管拔出，然后確認(rèn)泄漏的換熱管。等溫變換爐殼程壓力卸至微正壓，排凈下管板的水，用堵頭將泄漏換熱管的外管堵焊密封。漏點(diǎn)焊堵完成后，殼程充壓至1.0～1.5MPa，重新檢查是否有新的泄漏點(diǎn)。重復(fù)上述步驟，直至所有泄漏點(diǎn)全部檢出并焊堵試壓合格。

3.2.5 等溫變換爐恢復(fù)安裝

檢漏及消漏完成后，插入不泄漏的換熱管的內(nèi)管，恢復(fù)中管板檢漏孔，恢復(fù)所有換熱內(nèi)管與中管板的密封焊接。恢復(fù)上管板及其水室管箱，恢復(fù)中心升汽管與上管板的密封焊接，恢復(fù)其中心升汽管高度，催化劑加料管和測(cè)溫?zé)犭娕继坠芤餐交謴?fù)。刨去外筒與內(nèi)件管箱間的密封焊堵，恢復(fù)環(huán)隙?；謴?fù)外筒封頭，恢復(fù)安裝上封頭組件及其配管。

按相關(guān)規(guī)定做管箱、外筒、配管等的壓力試驗(yàn)，注意試驗(yàn)應(yīng)在所有水、汽管道及密封填料恢復(fù)后進(jìn)行，與汽包同步充壓，防止出現(xiàn)較大壓差損壞內(nèi)件。

至此，等溫變換爐檢漏、消漏工作全部完成。

4 檢漏結(jié)果及檢修措施

等溫變換爐整個(gè)檢漏、檢修工作耗時(shí)1月有余，檢出1處漏點(diǎn)在南側(cè)φ418降水管與管箱上管板的焊縫處，裂縫長(zhǎng)約250mm。分析原因是，設(shè)備安裝時(shí)降水管與外筒上封頭降水管口的中心未完全對(duì)中，開(kāi)車(chē)后設(shè)備運(yùn)行溫度較高，產(chǎn)生形變，而降水管與管箱上管板的角接焊縫處應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，再次開(kāi)車(chē)后，在持續(xù)運(yùn)行中的裂縫越來(lái)越長(zhǎng)。運(yùn)行中汽包壓力始終高于殼程壓力，汽包水通過(guò)裂縫泄漏到上管板，然后通過(guò)催化劑加料管、外殼與內(nèi)件間的環(huán)隙漏入催化劑床層。

此外，外筒上封頭與降水管、升汽管間的填料未發(fā)現(xiàn)泄漏，內(nèi)件換熱管也未檢出漏點(diǎn)。

針對(duì)降水管出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題，檢修時(shí)將上封頭內(nèi)的降水管和升汽管增加一段膨脹節(jié)，以解決熱膨脹應(yīng)力的問(wèn)題。

5 等溫變換爐操作注意事項(xiàng)

由于檢修對(duì)等溫變換爐本體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等造成一定影響，綜合考慮本次漏水的原因，對(duì)等溫變換爐的操作做如下調(diào)整及要求：①在等溫變換爐開(kāi)停車(chē)過(guò)程及正常生產(chǎn)中，要注意按規(guī)程操作，將升/降壓速率及升/降溫速率控制在指標(biāo)內(nèi)，并始終保證汽氣兩側(cè)壓差(等溫變換爐管殼程壓差)≤1.0MPa(原設(shè)計(jì)≤2.0MPa)；②適當(dāng)降低汽包運(yùn)行壓力，高于系統(tǒng)壓力0.1～0.2MPa(原設(shè)計(jì)約0.8MPa)，使汽包自產(chǎn)蒸汽能加入系統(tǒng)即可，在保證床層溫度和出口氣體成分的前提下，盡量縮小汽氣壓差，降低內(nèi)件泄漏概率；③嚴(yán)格控制汽包上水水質(zhì)和循環(huán)汽包水水質(zhì)(水質(zhì)符合GB/T 12145要求)。

6 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)煤太原化工新材料有限公司等溫變換工藝采用的湖南安淳的單套DN4600等溫變換爐是目前國(guó)內(nèi)最大的等溫變換爐，具有諸多優(yōu)勢(shì)，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修困難。本文針對(duì)等溫變換爐內(nèi)件漏水的問(wèn)題，出具檢漏檢修方案，檢查出降水管因熱膨脹焊縫斷裂而造成漏水，并采取措施，增加膨脹節(jié)。本次檢漏驗(yàn)證了湖南安淳等溫變換爐內(nèi)件加工的可靠性，特別是一體成型換熱管的可靠性。

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